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ENFOQUES DE DISEÑO DE
PRESAS DE ENROCADO CON MEMBRANA
IMPERMEABLE...

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ENFOQUES DE DISEÑO DE PRESAS DE ENROCADO CON MEMBRANA IMPERMEABLE Humberto Gandarillas Antezana1 & Luis Gandarillas Rodríguez2

Resumen

Las necesidades de almacenar y regular agua con fines de agua potable para las ciudades, riego para la agricultura, industria, minería y energía en Bolivia, han dado lugar a una creciente atención al aprovechamiento de los recursos hídricos en el marco de las condiciones climáticas y geográficas del territorio nacional. En ese contexto, la construcción de presas representa una amplia perspectiva para mejorar el aprovechamiento del agua; lo cual puede constatarse en la gran cantidad de presas construidas durante los últimos 20 años. En muchos casos, las presas presentan condiciones de riesgo bastante alto ante las posibilidades de falla o colapso, que pueden atribuirse a los criterios de diseño, los tipos de materiales y sobre todo las bajas condiciones de control de calidad durante la construcción; por lo que es necesario desarrollar normas, criterios y enfoques que permitan diseñar y construir presas que brinden altas condiciones de calidad, durabilidad y seguridad, pero que a la vez permitan optimizar los costos de las inversiones y los períodos de construcción. Los autores identifican en las presas de enrocado con membrana impermeable (Concrete Faced Rockfill Dams: CFRD) un alto potencial de aplicación para las condiciones bolivianas, sobre todo en los valles donde es abundante la presencia de roca fracturada en los sitios de potenciales presas. Consecuentemente, en este documento se proporciona información relacionada con los criterios y enfoques principales que deben considerarse para el diseño y construcción de presas pequeñas y medianas de enrocado con membrana impermeable (CFRD). Palabras-clave: presa de enrocado; membrana impermeable; zona de presa.

1

MSc. en Ingeniería de la Utah State University, USA. Ing. Civil de la Universidad de Guanajuato, México.

2

Alumno Egresado de la Carrera de Ing. Civil de la Universidad Privada Boliviana, [email protected]

e-mail: [email protected]

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1 1.1

INTRODUCCIÓN Función de las Presas

Las presas son estructuras que tienen la finalidad de retener el agua, con el propósito de formar un depósito que la retenga (embalse) y de elevar su nivel para poder conducirla a los lugares donde es requerida. La condición de producir un embalse, hace que el agua retenida ejerza un empuje de gran magnitud sobre la estructura, siendo ésta la mayor solicitación para la que debe diseñarse la obra. Desde el punto de vista de resistencia, el problema fundamental que debe resolverse es la forma en que la presa absorberá la presión que le transmite el agua sin romperse y sin transmitir al terreno natural más carga de la que éste puede soportar. Existen diversos tipos de presas, las cuales son seleccionadas en función a las posibilidades de cumplir la doble exigencia que tienen estas obras: 1) producir una estructura impermeable para regular y almacenar el agua, y 2) resistir el empuje del agua y evacuarla cuando sea preciso. En cada caso, las características del terreno de emplazamiento de la obra, la disponibilidad de los materiales y los usos que se le quiera dar al agua, condicionan la elección del tipo de presa; y aunque existen numerosos tipos de presas, en principio pueden ser clasificadas en dos grandes grupos según su estructura y los materiales empleados en su construcción: Presas de Terraplenado (materiales sueltos) y Presas de Hormigón. Desde mediados de la década de 1980, dos tipos de obras han tenido amplia difusión en todo el mundo, porque han conseguido mejorar la resistencia y durabilidad de estas estructuras, logrando además disminuir los costos y los períodos de construcción. Se trata de las presas de enrocado, tanto las de pantalla de hormigón (CFRD: Concrete Faced Rockfill Dam) como las de núcleo impermeable (ECRD: Earth Core Rockfill Dam), y de las presas de hormigón compactado con rodillo (RCC: Roller Compacted Concrete). 1.2

Presas de Enrocado con Membrana Impermeable (CFRD)

De acuerdo a la Comisión Internacional de Grandes Presas, ICOLD por sus siglas en inglés, las presas de enrocado se definen como las presas conformadas por un terraplenado cuya estabilidad depende principalmente de la roca. Las presas de enrocado deben contener una zona impermeable, que usualmente es obtenida mediante 1) una membrana impermeable en el talud aguas arriba, o 2) mediante un núcleo impermeable de arcilla. En el primer caso el tipo de presa generalmente utilizado es que se denomina del tipo CFRD (Concrete Faced Rockfill Dam) que consiste en una Presa de Enrocado con membrana impermeable de Hormigón; mientras que en el segundo caso, es del tipo ECRD (Earth Core Rockfill Dam) consistente en una presa de enrocado con núcleo impermeable de arcilla y filtros de transición que conforman parte de la presa. El término de presa de enrocado puede aplicarse cuando más del 50% del material de relleno puede clasificar como roca.

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Además, en este tipo de presas deben considerarse las medidas necesarias para producir impermeabilidad en la fundación. Las presas de enrocado, particularmente la del tipo CFRD, tiene como ventajas que puede ser construida en tiempo más corto y en temporadas húmedas. 2 2.1

METODOLOGÍA DE DISEÑO DE UNA PRESA DE ENROCADO (CFRD) Componentes de una Presa de Enrocado con Membrana Impermeable (CFRD)

El tipo de presa de enrocado con membrana impermeable (CFRD) consiste de tres componentes principales: •

Membrana Impermeable

•

Zonas de transición entre el enrocado y la membrana

•

Zona de enrocado

El enrocado compactado proporciona el soporte estructural, y la presa obtiene su impermeabilidad mediante una membrana de hormigón armado que se construye a lo largo de toda la cara frontal del talud aguas arriba, la cual se construye sobre una zona de transición de material granular, que a su vez descansa sobre el enrocado. La membrana impermeable se construye después de completar la elevación del enrocado y de las zonas de transición, y se constituye en un componente de gran importancia en este tipo de presas, puesto que eventuales asentamientos en el enrocado podrían dar lugar a fisuras y agrietamientos de la membrana. Por ello, es fundamental un adecuado control de la compactación del enrocado de modo que, por una parte se minimicen los futuros asentamientos del cuerpo de la presa, y por otra parte que se dimensione adecuadamente el espesor, el ancho y las características de construcción de la membrana impermeable. Una notoria ventaja de este tipo de presa es que la membrana impermeable de hormigón armado puede ser completamente revisada cuando se vacía la presa durante la operación y puede definirse cuando sea necesario hacer reparaciones. Por otra parte, una presa de enrocado con membrana impermeable, del tipo CFRD, tiene la ventaja de estar compuesta por una estructura flexible que puede absorber con mayor facilidad los movimientos que se producen por efecto de los sismos. Además, una estructura flexible de este tipo se adecua mejor a las condiciones de fracturación de la roca, lo cual representa una mejor respuesta para la redistribución de esfuerzos ante los efectos de un sismo. Entre otros factores que respaldan la selección de una presa de enrocado con membrana impermeable está la existencia de material rocoso adecuado en canteras adyacentes al sitio de presa, y bancos de material en las laderas próximas a la presa, en cantidades suficientes de piedra y/o de cantos rodados que tengan tamaños apropiados para la estructura seleccionada.

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2.2

Presas de Enrocado

Las presas de enrocado son terraplenes formados por fragmentos de roca de varios tamaños para proporcionar el soporte al empuje del agua embalsada, una cama de transición en el talud aguas arriba para actuar como filtro colector y soporte del tercer componente consistente en una membrana que le proporciona impermeabilidad. Las presas de enrocado han probado ser económicas cuando cualquiera de las siguientes condiciones existe: 1. Abundancia de roca disponible en las proximidades del sitio de emplazamiento. 2. La obtención de suelos es dificultosa, o requiere mucho procesamiento. 3. Prevalece una corta temporada para la construcción de las obras. 4. Condiciones climáticas muy húmedas limitan la utilización de relleno de suelos. 5. La Presa podría ser elevada posteriormente. Otros aspectos que favorecen la selección de presas de enrocado es la eliminación de factores como la erosión interna y las subpresiones que no pueden acumularse en material granular de estas características. Un factor de gran importancia para las presas de enrocado es que al no existir subpresiones y al existir condiciones para que el enrocado se mantenga seco, los movimientos sísmicos no pueden producir presiones de poro o presiones intersticiales. La presa de enrocado tiene los tres siguientes componentes principales: 1. Membrana Impermeable de hormigón armado en toda la cara del talud aguas arriba, con la función fundamental de impermeabilizar la presa y evitar las filtraciones de agua. Tiene la ventaja de que cuando baja el nivel del agua puede realizarse el control de su funcionamiento y eventuales reparaciones. 2. Cama de Transición entre el cuerpo del enrocado y la membrana impermeable, para actuar como cama uniforme de soporte y para efectuar la transmisión de la carga al enrocado. Esta zona también incluye un filtro colector de las filtraciones a través de la membrana impermeable. 3. El Enrocado Compactado, que constituye la mayor parte de la presa y proporciona el soporte para el empuje del agua embalsada. La roca compactada disminuye los asentamientos, incrementa el ángulo de fricción interna del cuerpo de la presa y también su resistencia al esfuerzo cortante. 2.3

Estudios geológicos y geotécnicos

La identificación y definición de las condiciones geológicas y geotécnicas del emplazamiento de presas debe ser adecuadamente estudiada, de manera que en función de las características de los materiales de fundación se pueda efectuar una acertada determinación del tipo de presa.

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2.3.1 Perforaciones de Exploración Para obtener datos geomecánicos de la roca de fundación de la presa, deben realizarse investigaciones del macizo rocoso, llevando a cabo un programa de perforaciones a diamantina distribuidas en todo el sitio de fundación, de manera que permitan un conocimiento amplio del subsuelo y que proporcionen información sobre las condiciones específicas de la roca, tales como la calidad, tipo de roca, fracturamiento, fallas, etc. Adicionalmente, durante la investigación de la roca de fundación, deben efectuarse ensayos de permeabilidad (tipo Lugeon), para definir los requerimientos de impermeabilización del subsuelo, de modo que en función de las características de la roca y de sus condiciones de permeabilidad, se puedan diseñar las inyecciones necesarias. 2.3.2 Sismicidad en Bolivia La sismicidad en Bolivia (Montes de Oca, 2004) está relacionada al proceso de subducción que la placa de Nazca experimenta en su avance hacia el continente sudamericano. Los focos sísmicos por debajo del altiplano se encuentran entre los 70 y 300 Km. de profundidad (sismos de profundidad intermedia), focos sísmicos muy profundos se originan en el extremo de la placa que se hunde a más de 300 Km. de profundidad, por debajo del sur del departamento de Santa Cruz y norte de la Argentina. (Vega, 2004) La actividad sísmica de foco superficial, hasta 70 Km. de profundidad, se concentra en la región central del país, entre los departamentos de Cochabamba, Chuquisaca y Santa Cruz. Otros focos de actividad sísmica superficial se ubican al norte del departamento de La Paz, región Consata – Mapiri, al sur del departamento de Tarija en las proximidades de Yacuiba y en las regiones al oeste del departamento de Oruro y en la frontera con Chile.

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Fuente: Enciclopedia Geeográfica de B Bolivia; Ismae l Montes de Oca. O La Paz, Bolivia. B 2004 Figura 1 – Mapa de Sismicida ad de Bolivia a (2004)

S del d Coeficie nte de Sism micidad 2.3.3 Selección T Tomando en cuenta laas experiencias de otro os países enn la selecciión y aplicaación de coeficieentes de sism micidad, coomo por ejemplo México, Chile y Perú, dond d e se aplica an mapas de zonifficación de la sismiciddad basadoss en el méto o do empíricco, que se utilizan u en el e diseño de presaas pequeñass y medianaas mediante valores que varían entre 0,05g y 0,25g; se considera apropiadd o adoptar el método empírico e para proyectos de ese tipo en Boliviaa. Al respecto, también debe remarcarse que para zonas en las que se aplican coeficientes A sísmicos de 0,10g o menos y en proyecttos en los cuales c no ex xiste riesgo de licuefaccción, el A,2003). método de análisiss seudo estáático para e l análisis d e estabilidaad es aceptaable (FEMA más comunes utilizado o s en el anáálisis sísmic co de estabiilidad de En ese sentido, loss métodos m étodos seud d o – estáticcos de equilibrio límitte. Estos presas dde tierra y enrocado son los mé métodos consideran que la ac ción sísmic ca puede reeemplazarse por una fuerza proporrcional a la masa deslizante.

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2.3.4 Criterios de Diseño de la Presa de Enrocado La presa de enrocado consiste en una masa de roca, que ocupa la totalidad del cuerpo de la estructura y que puede construirse siempre que, mediante las medidas adecuadas se produzca la impermeabilidad de la fundación. La roca puede colocarse en cualquier época del año, y por sus características este tipo de presa es más apropiado para regiones de alto riesgo sísmico. Además, es necesario analizar la información sobre escurrimientos y avenidas esperadas; revisar y evaluar los datos de la exploración geológica; verificar la topografía y otros factores que analizados en conjunto permiten definir con mayor precisión las características de la presa, las dimensiones de la obra de toma y las del vertedor de excedencias. Los parámetros hidrológicos relacionados con la oferta de agua, las crecidas y el respectivo tránsito de avenidas por el embalse, y las condiciones topográficas y geológicas definen las siguientes características geométricas de la presa: Tabla 1 –Principales Características Geométricas de la Presa

CARACTERÍSTICAS Altura máxima Ancho coronamiento Longitud de coronamiento Capacidad total de embalse Embalse muerto Embalse útil Crecida máxima entrada Crecida máxima salida Talud aguas arriba Talud aguas abajo

2.3.5 Inyecciones para Mejorar la Impermeabilidad Con la finalidad de mejorar las condiciones de impermeabilidad del subsuelo en el sitio de emplazamiento de la presa, la roca fisurada será sometida a un proceso de inyectado, que consistirá en rellenar con mortero de cemento (C/A) las aberturas de las rocas fracturadas, diaclazadas y/o con necesidad de reajuste de fallas. Se debe aplicar una presión aproximada 2009‐2010I‐CIVIL7

entre 5 y 10 Kg/cm². Estos trabajos estarán sujetos a los métodos de inyección en roca, para ello se utilizarán equipos de perforación é inyección apropiados para este tipo de trabajo. 2.4

Diseño de Componentes de Seguridad

2.4.1 Bordo Libre Para la determinación del bordo libre de la presa se han seguido los criterios recomendados (Marsal-Resendiz, 1975), los cuales se calculan en base a la fórmula y los factores que se describen a continuación: HBL = H1 + H2 + H3 + AH + HS HBL =

Altura de Bordo Libre.

H1

=

Tirante de la máxima crecida.

H2

=

Altura de las olas en función del “fetch”.

H3

=

Altura de arrastre de las olas sobre el talud.

AH

=

Asentamiento máximo esperado en el coronamiento.

HS

=

Altura adicional de seguridad.

(1)

La altura de las olas y el efecto de arrastre de ellas ha sido obtenida siguiendo los criterios de efecto del “fetch” (distancia sobre la cual puede actuar el viento en una masa de agua) que recomienda el Bureau of Reclamation (1975), consistente en un bordo mínimo de 0,90 metros por encima del tirante de la máxima crecida cuando el fetch es menor a 1 milla de longitud (1,609 metros), incluyendo asentamientos. 2.4.2 Instrumentación La observación del comportamiento de la Presa una vez terminada la construcción se efectuará en base a dos hitos a instalar en la membrana de hormigón armado del talud aguas arriba y cuatro hitos (BM’s o bench marks) que se instalarán en el coronamiento, registrando sus coordenadas y cotas, de modo que puedan realizarse nivelaciones de control periódicamente. Por otra parte, las filtraciones a través del cuerpo de la presa, deberán medirse efectuando aforos periódicos en las cámaras de control a instalarse aguas abajo, en los puntos de salida del drenaje colector. 2.5

Estabilidad de Taludes

La estabilidad de taludes en presas de enrocado puede ser evaluada mediante los sistemas estáticos convencionalmente aplicados en mecánica de suelos, para fallas de tipo circular, en base al análisis de estabilidad aplicado mediante cuñas de soporte y dovelas. No obstante, el factor que limita la convicción de una plena y confiable aplicabilidad de tales métodos es la variación del ángulo de fricción, que en el caso de los enrocados puede modificarse con la presión normal que ejerce el peso propio del cuerpo de la presa. 2009‐2010I‐CIVIL8

Debido a las características de las presas de enrocado, que tienen una estructura conformada por roca compactada y trabada, en este tipo de presas muchos ingenieros recurren a la definición de los taludes simplemente en base al ángulo de reposo de los materiales que conforman el cuerpo de la presa, y no aplican los cálculos de estabilidad convencionales para mecánica de suelos, puesto que las fallas de talud mínimas bajo éstos métodos tienden a presentarse en el borde del talud por efecto del volteo de piezas individuales que al carecer de cohesión entre ellas representan la situación más crítica, a pesar de no representar ningún peligro de daño estructural. Cuando no se aplican métodos de análisis mecánico para la estabilidad de taludes, que es el caso en la mayoría de los diseños de presas pequeñas de enrocado, se utilizan taludes con inclinaciones que van desde 1,3:1 (H:V) hasta alrededor de 1,5:1 (H:V), en base al tipo de material y el ángulo de reposo del mismo. En tales casos el Factor de Seguridad de los taludes de la presa de enrocado puede calcularse y verificarse aplicando los siguientes criterios:  material.

La máxima inclinación del talud es igual al ángulo de fricción interna (ø) del

 interna.

El talud es estable si su ángulo inclinación (α) es menor al ángulo de fricción Estos dos criterios se resumen en la fórmula: FS =

tan ø > 1.00 tan α

(2)

Sin embargo, en años recientes, se ha estudiado intensamente la estabilidad de taludes en las presas de enrocado desde la óptica de los efectos sísmicos, aplicando una diversidad de métodos y enfoques; con la utilización de un factor sísmico o coeficiente de sismicidad k; tomando en cuenta que las más importantes agencias especializadas en el diseño y seguridad de presas (miembros de ICOLD) establecen para condiciones sísmicas factores de seguridad FS > 1,2. En el marco de lo arriba indicado, a continuación se muestran los factores de seguridad mínimos recomendados para efectos de sismo, existiendo al respecto recomendaciones diversas, como por ejemplo el United States of America Corp of Engineers (USACE) que requiere valores de FS > 1,1 cuando se aplica el método seudo estático de análisis, y el Australian National Committee on Large Dams (NZCOLD, 2000) propone valores de FS en el orden de 1...